JP6585902B2 - スプライン軸及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、スプライン軸を製造する技術に関する。
動力伝達部等に用いられるスプライン軸は、高い強度が要求されるため、特許文献１に開示されるように転造によって製造されるのが一般的である。
転造によれば、切削のようにファイバーフローが切断されることがなく、かつ、スプライン溝底においてファイバーフローが密になるので、スプライン軸の強度を高めることができる。
しかしながら、転造によって製造されたスプライン軸の強度が様々な要因によって予定した強度よりも低くなることが確認されており、スプライン軸の強度に関してはなお改善の余地がある。
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、スプライン軸の強度低下を抑えることを目的とする。
本発明のある態様によれば、小径部と前記小径部にテーパ部を介して接続され前記小径部よりも大きな直径を有する大径部とを有する異径軸の前記大径部にスプライン溝を転造によって形成することで製造されるスプライン軸であって、前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位と前記小径部との接続位置における前記せり出した部位の立ち上がり角度が９０度以下である、スプライン軸が提供される。
本発明の別の態様によれば、小径部と前記小径部にテーパ部を介して接続され前記小径部よりも大きな直径を有する大径部とを有する異径軸の前記大径部にスプライン溝を転造によって形成することでスプライン軸を製造するスプライン軸製造方法であって、前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位と前記小径部との接続位置における前記せり出した部位の立ち上がり角度が９０度となる前記テーパ部のテーパ角を下記式（１）で演算される捲れ込み限度角とした場合、前記テーパ角が前記捲れ込み限度角以下となるように前記異径軸を形成し、前記大径部に前記スプライン溝を転造する、スプライン軸製造方法が提供される。
θmax＝Ａ＋Ｂ（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３） …式（１）
ただし、 θmax：捲れ込み限度角
Ｄ１：大径部の直径
Ｄ２：スプライン溝の底部直径
Ｄ３：小径部の直径
Ａ、Ｂ：定数
θmax＝Ａ＋Ｂ（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３） …式（１）
ただし、 θmax：捲れ込み限度角
Ｄ１：大径部の直径
Ｄ２：スプライン溝の底部直径
Ｄ３：小径部の直径
Ａ、Ｂ：定数
これらの態様によれば、捲れ込みによるスプライン軸の強度低下を抑えることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスプライン軸１０を示している。スプライン軸１０は、直径の異なる部位を複数有する異径軸である。この例では、スプライン軸１０は小径部１１と、小径部１１にテーパ部１２を介して接続され小径部１１よりも大きな直径を有する大径部１３とを有し、大径部１３には転造によってスプライン溝１４が形成される。大径部１３には、スプライン溝１４に対応する歯を内周に有するギヤ２０がスプライン嵌合し、これによってスプライン軸１０からギヤ２０に回転を伝達することが可能になっている。
転造は、スプライン溝１４に対応する歯を有する一対の転造ラックを大径部１３に押し付けることによって行われる。一対の転造ラックの間に大径部１３を挟持して一対の転造ラックを上下逆方向に移動させると、これによって大径部１３が回転し、大径部１３の外周にスプライン溝１４が形成される。
図２Ａ〜図２Ｃは、転造によってスプライン溝１４が形成される様子を示している。
図２Ａに示す状態から転造ラックの歯３０を大径部１３に押し付けていくと、図２Ｂに示すように、歯が押し付けられている部分の肉が押しのけられて大径部１３に軸方向に延びる凹部１５が形成されるとともに、凹部１５が形成される部分にあった肉の一部が軸方向に移動する。
そして、最終的には、図２Ｃに示すように、大径部１３にはスプライン溝１４が形成されるとともに、スプライン溝１４の軸方向両側には、大径部１３から小径部１１上にせり出した部位１６が形成される。
ところで、転造によってスプライン溝１４を形成した場合、大径部１３から小径部１１上にせり出した部位１６が形成されるのであるが、せり出した部位１６が大きいと図３に示すように、せり出した部分１６と小径部１１との間に微小な隙間１７が形成される、いわゆる「捲れ込み」が発生する場合がある。
このような隙間１７はスプライン軸１０の強度を低下させる原因の一つと考えられる。これは、隙間１７はその最奥部１７ｅにおいて応力集中が発生し、隙間１７の最奥部１７ｅから亀裂１８が発生しやすいと考えられるからである。発明者らが行った転造によって製造されたスプライン軸を用いて行った実験によっても、隙間１７の最奥部１７ｅを基点として亀裂が発生する例が確認された。
スプライン軸１０の強度低下を引き起こさないためには捲れ込みを発生させないことが重要である。このためには、図４に示すように、大径部１３から小径部１１上にせり出した部位１６と小径部１１との接続位置におけるせり出した部位１６の立ち上がり角度αを９０度以下にし、せり出した部位１６と小径部１１との間に図３に示したような隙間１７が形成されないようにする必要がある。
ここで、捲れ込みが発生するか否かは、せり出した部位１６の肉の量によって決定されると考えられる。さらに、この部位の肉の量は、大径部１３の直径Ｄ１、スプライン溝１４の底部直径Ｄ２（Ｄ１−Ｄ２がスプライン溝１４の深さに対応）、小径部１１の直径Ｄ３、及び、テーパ部１２のテーパ角θによって決定される。
そこで、発明者らは図５に示すモデルを使い、これらのパラメータと捲れ込みの発生の有無の関係を有限要素法を用いて解析した。解析では、異径軸の材質としてＳＣｒ４２０を指定し、転造ラックの押し付けストロークを０からスプライン溝１４の深さＤ１−Ｄ２まで所定時間を掛けて段階的に増加させるようにした。
Ｄ１〜Ｄ３を変えて解析した結果、捲れ込みが発生するテーパ角θの上限、すなわち立ち上がり角度αが９０度となるテーパ角（以下、捲れ込み限度角θmaxという。）は、せり出し肉量指数を（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３）×１００で定義すると、図６に示すように以下の線形関係：
θmax＝Ａ＋Ｂ（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３）
Ａ、Ｂ：定数
で表すことができることが分かった。
θmax＝Ａ＋Ｂ（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３）
Ａ、Ｂ：定数
で表すことができることが分かった。
さらに、異径軸の材質にかかわらず、定数Ａは１６〜１７の値、定数Ｂは略７０となることが分かった。
さらに、解析結果から読み取ることができる傾向は以下の通りである。
・捲れ込み限度角θmaxは、せり出し肉量指数が小さいほど、すなわち、大径部１３から小径部１１上にせり出した部分の肉の量が多いほど小さな値となる。
・テーパ角θが捲れ込み限度角θmax以下であれば捲り込みは発生しない。
したがって、捲れ込みを発生させないためには、テーパ角θを上記関係によって決まる捲れ込み限度角θmax以下とすればよい。捲れ込み限度角θmax以下となるテーパ角θを有する異径軸を用いてスプライン溝１４を転造するようにすれば、せり出した部位１６の立ち上がり角度αが９０度以下になり、捲れ込みによるスプライン軸１０の強度低下を抑えることができる（請求項１、３、５、６、７に対応する効果）。
また、テーパ角θを捲れ込み限度角θmaxに設定すればせり出した部位１６の立ち上がり角度αは９０度となるが、テーパ角θを最大限大きくしたことによってテーパ部１２の軸方向長さが最も短くなり、スプライン軸１０の軸方向長さを短くすることができる（請求項２、４に対応する効果）。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
１０ スプライン軸
１１ 小径部
１２ テーパ部
１３ 大径部
１４ スプライン溝
１６ せり出し部位
２０ ギヤ
１１ 小径部
１２ テーパ部
１３ 大径部
１４ スプライン溝
１６ せり出し部位
２０ ギヤ
Claims (5)
- 小径部と前記小径部にテーパ部を介して接続され前記小径部よりも大きな直径を有する大径部とを有する異径軸の前記大径部にスプライン溝を転造によって形成することで製造されるスプライン軸であって、
前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位と前記小径部との接続位置における前記せり出した部位の立ち上がり角度が９０度以下である、
ことを特徴とするスプライン軸。 - 請求項１に記載のスプライン軸であって、
前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位と前記小径部との接続位置における前記せり出した部位の立ち上がり角度が９０度である、
ことを特徴とするスプライン軸。 - 小径部と前記小径部にテーパ部を介して接続され前記小径部よりも大きな直径を有する大径部とを有する異径軸の前記大径部にスプライン溝を転造によって形成することでスプライン軸を製造するスプライン軸製造方法であって、
前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位と前記小径部との接続位置における前記せり出した部位の立ち上がり角度が９０度となる前記テーパ部のテーパ角を下記式（１）で演算される捲れ込み限度角とした場合、前記テーパ角が前記捲れ込み限度角以下となるように前記異径軸を形成し、
前記大径部に転造によって前記スプライン溝を形成する、
ことを特徴とするスプライン軸製造方法。
θmax＝Ａ＋Ｂ（Ｄ２−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ３） …式（１）
ただし、 θmax：捲れ込み限度角
Ｄ１：大径部の直径
Ｄ２：スプライン溝の底部直径
Ｄ３：小径部の直径
Ａ、Ｂ：定数 - 請求項３に記載のスプライン軸製造方法であって、
前記捲れ込み限度角は、前記転造によって前記大径部から前記小径部上にせり出した部位の肉の量が多いほど小さな値に設定される、
ことを特徴とするスプライン軸製造方法。 - 請求項３または４に記載のスプライン軸製造方法であって、
定数Ａは１６〜１７の値、定数Ｂは略７０である、
ことを特徴とするスプライン軸製造方法。
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